基于ARM与电力线载波技术的广场照明系统设计

O 引言
    目前大空间的广场或教室等场所的照明系统绝大部分都采用完全照明的方式，即使只有某个部分区域有人活动也会开放全部的照明设备，从而造成了巨大的电能浪费。因此设计了基于ARM9和电力线载波通信技术相结合的控制系统，能够实时检测大空间中各区域人员活动情况，并根据控制指令以及事先设好的算法控制相应区域的照明设备点亮及照明时间，并能够对控制信息、照明情况进行记录，便于管理与查询。这样在人员较少的时候，大空间中只有局部区域照明设备点亮，从而实现大幅度节约电能。

1 硬件组成及原理
     为了更好地实现控制与节能，将广场照明系统分为若干个区域，每个区域都由一个单片机从机系统负责单独控制。广场分区照明系统总体结构如图1所示，整个系统分为主机系统和从机系统两部分。主机以S3C2410为核心，负责接收工作人员指令和从机传过来的信息并实施全局控制，还支持信息存储和查询等；从机以单片机为核心，负责某特定区域检测人员情况，并与主机以电力线载波的方式进行通信，还负责该区域照明控制。下面就重要部分进行分别介绍。
   
   
1．1 主控制器
     本系统的主控制器采用三星公司的S3C2410处理器，与电源电路、时钟电路、存储器系统及复位电路共同组成微控制系统。复位电路选用了系统监视复位芯片IMP811S，可提供高效的电源监视功能，确保系统工作正常。
     S3C2410是一款基于ARM920内核的16／32位RISC嵌入式处理器微处理器，运行频率可达203 MHz，在此基础上扩展了一系列完整的通用外围接口单元，能够提供高性价比的嵌入式解决方案。S3C2410系统外围接口单元包括支持55个中断源的中断控制器，4路DMA控制器，117个通用I／O口，3个可编程波特率的UART，LCD控制器，8路10位A／D转换器，SD卡接口，1个多主机I2C总线控制器，2个SPI接口等。
1．2 电力线通信接口
     主机与多个从机之间的通信是基于电力线载波方式的，因此必须在一个变压器供电范围内。电力线载波通信的实现选用了高性能的通信芯片M1200E，MI200E是一款针对低压电力线环境优化设计的高性能通讯芯片，内部集成了诸如多阶开关电容滤波器，高效数字放大器，CRC-16硬件校验等多种电路，Mi200E数据速率为200～1 600 b／s。同时，通过系统设计，它可以实现200～1 600 b／s的自适应速率。MI200E的频率为57．6 kHz，76．8 kHz和115．2 kHz，该频段符合欧洲标准。
     图2所示为S3C2410与MI200E芯片的硬件接线图，图中未给出MI200E的电源连接，实际使用需将其3个电源均接+5 V。S3C2410的SPI接口与MI200E的SPI引脚相连，并用GPF口控制其复位和片选，还将Q1和Q2的输出接S3C2410的EINTO中断引脚，这样发送完毕就会产生中断，以方便编程。图2中各参数是在76．8 kHz的载波频率情况下给出的，若载波频率变化，则参数应做适当调整。
   
   
     从机侧MI200E与单片机的连接与图2类似，只需将MI200E的SPI口线、复位及片选与单片机普通I／O口相连，用模拟SPI方式进行通信即可。
1．3 人机接口与信息存储
     为了便于自诊断与参数设置，系统加入了矩阵键盘和LCD显示器。S3C2410内部含有一个LCD驱动控制器，能自动产生LCD驱动控制所需的控制信号，因此能与TFT型的彩色LCD屏直接连接，不需要外加控制器。本系统采用了南京普易电器公司生产的8寸的PY080TFT01型液晶屏。键盘通过ZLG7290芯片以I2C总线接口形式与S3C2410相连。
     为了能够将控制信息及照明管理信息进行存储与查询，系统加入了SD卡存储装置。由于S3C2410芯片本身带有SD卡接口，因此只需将SD卡座与S3C2410的SD卡接口直接相连即可实现数据读写。
1．4 红外检测电路
     从机要不断检测所辖区域的人员情况，因此设计了基于热释电红外传感器的检测电路，如图3所示。
   
   
     该电路中选用了BISS0001集成芯片对热释电红外传感器的微弱信号进行放大处理。BISS0001是一款高性能的传感信号处理集成电路，静态电流极小，配以热释电红外传感器和少量外围元器件即可构成被动式的热释电红外传感器。BISS0001的输出引脚经三极管反向后与单片机的中断引脚相连，这样在检测区域内有人员经过就会产生中断。

2 主机系统软件设计
     在整个广场照明控制系统中，S3C2410作为主机核心完成接收控制信息、接收从机信息、参数输入与显示、远传控制指令等功能。整个主机系统软件部分包括主程序、人机接口程序、电力线载波通信程序、SD卡读写程序、照明控制程序、自诊断等功能模块。由于软件较复杂，所以实际编程中嵌入了uC／OS-Ⅱ实时操作系统。
2．1 μC／OS-Ⅱ实时操作系统
     μC／OS-Ⅱ实时操作系统是真正源码公开的，采用占先式的实时内核，支持多达56个用户任务，稳定性和可靠性高，而且移植方便，占
用内存小。μC／OS-Ⅱ实时操作系统中各任务要分配不同的优先级，优先级用数字表示，数字越小其优先级越高。针对本系统中各任务的重要性，为各任务分配了表1所示的优先级。
   
   
2．2 主程序
     主程序完成S32410 GPIO初始化、中断初始化、SD卡初始化、SPI接口初始化、MI200E初始化、操作系统初始化、任务创建与操作系统的启动等。
2．3 电力线载波通信程序
     电力线载波通信程序主要完成基于MI200E的数据发送和接收，要严格遵守其发送及接收时序。
     MI200E在发送时的数据包由8个字节组成，其中前4个字节中包含引导码、后续发送采用的波特率以及数据长度；第5、6个字节为从机地址和控制信息；第7、8个字节为CRC校验信息。每次发送数据前都需要对MI200E状态寄存器的最高位(TI)进行查询，只有在TI为‘1’时，才能将数据配置进MI200E。
     MI200E处在接收状态时，需要反复查询状态寄存器的RI／Carr／Frame标志。当Carr／Frame被硬件置‘1’后，先读取接收模式寄存器，取出Package信息，将接收到的波特率信息写入模式寄存器，然后按照取得的数据长度进行接收。注意，每读取一个字的数据前都需要查询RI／Carr／Frame标志，只有在RI／Carr／Frame都被硬件置‘1’的情况下，再读取MI200E中的接收数据。在读取完所有的数据，包括CRC校验结果后，查询状态寄存器中的CRC标志，判断是否已正确接收到了数据。

3 结语
     本文所设计的广场分区照明系统具有成本低、响应快、可靠性高、通信距离远、无需铺设通信线缆等优点，对于信号的处理及照明控制方式可以通过修改程序来灵活改变，因此特别适用于空间较大的广场、地下停车场、教室等场所。本系统在西安外事学院3#教学楼安装试验后，工作稳定，可及时将无人的教室灯光关闭，经改动还可关闭电风扇等电气设备，因此大幅度地节约了电能，有着良好的推广前景。